新型升臥式鋼閘門懸臂輪的設計及應用

馮建榮

(常州市長江堤防工程管理處， 江蘇 常州 213000)

1 概 況

閘門是水工建筑物的重要組成部分之一，它的作用是通斷水工建筑物的通水孔口，并能按需要通過控制閘門的開度，調節(jié)過水流量，起到引水、排水、擋水的作用。完整的閘門系統(tǒng)一般由活動的門葉結構、門槽埋件結構和啟閉閘門的機械設備三大部分組成。通常所謂的閘門也可單獨理解成門葉結構，它由面板、梁格、縱向垂直聯(lián)結系、行走支承裝置、導向裝置、止水裝置、吊耳等組成[1]。常州市長江堤防工程管理處所轄各個閘站普遍采用直升式或升臥式平面鋼閘門，閘門的行走支承裝置為懸臂輪結構。

2 技術背景分析

懸臂輪結構型式的優(yōu)化效果，需要通過長期摸索改進設計以及實際應用周期的檢驗，方能體現(xiàn)出來。

圖1是目前還在應用的最常見的水工閘門懸臂輪結構示意圖。

1-主軸 2-滾輪 3-滑動軸承(SF-1) 4-限位卡板 5-緊固螺栓圖1 水工閘門懸臂輪結構

此類結構型式的懸臂輪，通常用在重載、運轉低速、無需用油、脂潤滑的場合。水工閘門的實際運行工況是長期在水中運行，用油脂潤滑基本無效，比較符合應用這種裝置。

2.1 工作原理

裝置無輪的軸端連接固定在閘門的端柱上，有輪的軸端懸在閘門兩側，上下各1對。閘門移動時，滾輪、滑動軸承(SF-1)、限位卡板、緊固螺栓一起繞主軸轉動行走。中型水工閘門一般有幾十噸的重量，加上水位差行成的水壓力，載荷更大，靠懸臂輪(通常采用上下左右對稱共4個輪子)承載，將荷載傳給閘墩。同時傳動副軸承與主軸承受相對滑動的摩擦力，摩擦力造成軸承磨損，軸承磨損到一定程度需進行維修，一般情況是更換易磨損的軸承。為了保護主軸，確保其使用期限，主軸的表面通常經(jīng)鍍鉻或噴涂不銹鋼的傳統(tǒng)加工工藝處理，目的是防腐蝕和增加耐磨性，延長使用壽命。

2.2 存在問題

此類結構簡單，圖1中的滑動軸承可用品種多樣，有采用銅套、無油軸承、油尼龍、華龍?zhí)椎取４祟惤Y構屬敞開式，在水上運行，軸承和軸產(chǎn)生干摩擦，不順滑，會引發(fā)門體振動，發(fā)出噪音；長期在含沙量高的水中運行，污水和泥沙容易進入軸承和軸的間隙，會加劇軸承和軸的腐蝕磨損，軸承間隙過大后，滾輪行走搖擺，間隙越磨越大，會使閘門走偏，出現(xiàn)卡阻。而且滾輪還會軸向游走，限位卡板容易被磨損掉，會出現(xiàn)掉輪事故。這種情況在常州市長江堤防工程管理處澡港節(jié)制閘升臥式閘門上發(fā)生過，因檢查發(fā)現(xiàn)及時，避免了事故發(fā)生。管理處下屬單位魏村水利樞紐和澡港水利樞紐的閘門懸臂輪剛開始都是采用此類結構型式，第一次維修都是因無油軸承磨損，間隙過大。

圖1中無油軸承SF-1，是一種無需加油潤滑的滑動軸承，該軸承中間以鋼板為骨架，在鋼板的兩面燒結一層青銅粉再軋制聚四氟乙烯和鉛的混合物，根據(jù)實際需要尺寸卷制而成。我處使用的軸承厚為2.5mm，屬易損件。盡管該產(chǎn)品的宣傳稱耐磨性能強，但在惡劣的工況環(huán)境下使用，這種軸承的性能會大打折扣。如水污染嚴重，水中泥沙含量大，也會大大縮短軸承的使用壽命。而管理處的水利工程都處在長江邊，江水泥沙含量大，澡港水利樞紐又在常州市化工區(qū)，水質有所污染。如果不及時更換損壞的軸承，一旦無油軸承外層起潤滑作用的青銅粉和混合物這些相對較軟的材料被磨掉，骨架鋼板就會硬碰硬對主軸和滾輪軸孔造成磨損損壞，這種情況下，僅更換同樣的軸承已經(jīng)失效，需對主軸和滾輪進行技術加工處理，工程維修成本因此會大大增加。事實上，閘門制造廠多年來進行過改進，常用辦法是在軸承兩端設置防塵圈，對防止泥沙的浸入有一定效果，但阻擋不了污水和細沙，還是沒能解決根本問題。

總結一下常見懸臂輪結構型式的缺點：一是傳動副為敞開式，軸承、主軸、滾輪間隙中易進入污水和泥沙造成磨損損壞，需經(jīng)常維修；二是會發(fā)生掉輪事故，因此為保證閘門安全正常運行，須解決原型結構存在的缺陷，設計人員需思考出一種新型懸臂輪結構來替代。

3 設計方案說明

新型懸臂輪結構設計目的是提供一種實用新型水工閘門懸臂輪，解決現(xiàn)有技術中存在滾輪軸承易磨損和滾輪軸向游走掉輪的問題，減少工程維修成本，使維護保養(yǎng)簡單方便，確保閘門安全運行。

所采用的技術方案是采用密封腔油潤滑，減少推力軸承和滑動軸承的磨損，提高使用壽命，同時改進滾輪限位結構，限制滾輪軸向游走。通過改進，軸承一直處在不缺潤滑油的腔內，潤滑充分，保證軸承運行工況良好，減少軸承磨損，使?jié)L輪運行平穩(wěn)、無振動、無噪音，滾輪限位有保障，不會有掉輪的事故風險。

圖2是經(jīng)過改進設計后的新型水工閘門懸臂輪結構示意圖[2-4]。

1-主軸 2-水封座 3-油封座 4-滾輪 5-滑動軸承 6-密封蓋 7-鎖緊螺母 8-緊固螺栓① 9-水封圈 10-O型密封圈① 11-骨架密封圈 12-緊固螺栓② 13-O型密封圈② 14-推力軸承 15-緊定螺釘 16-油塞 17-密封組合墊 18-密封油腔 19-油道圖2 改進后的新型水工閘門懸臂輪結構

3.1 設計思路

(1)根據(jù)設備現(xiàn)狀，設計方案要切實可行，盡量減少工程量，保留可用部件，避免對原設備的過度破壞，決定閘門門體不更改，設計的懸臂輪結構需與原土建尺寸配套。

(2)新的設計必須能解決原型結構存在的缺陷，將傳動副由敞開式改成密封式，有效阻止泥沙和污水進入。

(3)易磨損的部位都設計在密封腔內，密封腔內注有潤滑油，為摩擦面提供潤滑，避免干摩擦，以提高零部件的使用壽命。

(4)用推力軸承限制滾輪軸向游走，采用滾動軸承，優(yōu)點是滾動摩擦阻力小，滾動靈活。

(5)為保證新型結構8a以上的使用壽命，盡量采用耐用材料和新工藝。

3.2 改進原理

新型懸臂輪結構的工作原理是：除主軸、鎖緊螺母、推力軸承的定圈、緊定螺釘不動外，其余零部件合成一個整體繞主軸轉動，從而完成閘門上下行走。

根據(jù)設計的要求，改進設計的關鍵是保證密封腔密封可靠，這就要求主軸和軸承加工精度要高，零部件配合要緊密，選用的密封件質量要好。密封件設計采用水封圈、骨架密封圈、O型密封圈、密封組合墊進行密封。跟滑動軸承摩擦的主軸的軸面采用噴涂金屬陶瓷層這種新的成熟的加工工藝，替代普通的電鍍涂層，以增加耐腐蝕和耐磨性，金屬陶瓷層的壽命通?？蛇_30a，其優(yōu)異的性能特別適合于工作環(huán)境惡劣、腐蝕性強的條件下使用，對于澡港水利樞紐所處的化工區(qū)環(huán)境來說，完全滿足使用要求，而原來采用的鍍鉻層在室外的正常使用壽命較短，一般3～5a后表面出現(xiàn)腐蝕性銹斑、麻點、凹坑等老化現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)這種情況就會漏油，影響密封性能。密封部位的加工精度是長期保持密封性能的主要指標。為增加潤滑油的流動性，考慮在滾輪上設4個通孔作為過油通道，如圖2油道，同時在滑動軸承(材料為韌性強、質地較硬的銅合金CuZn)內圈上加工油槽，改善軸承與軸之間隙的潤滑條件。

3.3 新型懸臂輪結構的優(yōu)點

(1)有穩(wěn)定、潔凈、充足的潤滑油，潤滑條件好，磨損小，軸承使用壽命長，維修率低，節(jié)約運行成本。

(2)采用先進的金屬陶瓷工藝，在閘門正常報廢前，作為大件的滾輪主軸基本不會磨損更換。

(3)此結構避免了滾輪內圈受損，作為大件的滾輪也無需維修更換。

(4)可通過調節(jié)鎖緊螺母從而調節(jié)滾輪軸向間隙，避免推力軸承因長期使用產(chǎn)生過大間隙。

(5)滾輪運行靈活、平穩(wěn)、無噪音，運行安全可靠。

4 項目實施

技改方案經(jīng)上級主管部門組織專業(yè)技術人員進行論證后，準予本項目在澡港水利樞紐節(jié)制閘上實施，筆者作為部門負責人,組織圖紙設計，監(jiān)督零部件加工，指導拆裝，參與調試，并對其他參與方也提出了具體要求[5]。

4.1 加工制作注意事項

零件加工須保證精度，關鍵配件推力軸承和密封圈須正品質量，軸與軸承之間間隙配合為+0.15～0.20mm，易形成油膜，間隙配合適當，緊固螺栓采用不銹鋼抗松動螺栓加填螺紋膠[4]。

4.2 保養(yǎng)維護注意事項

定期檢查油腔內油量，考慮到熱脹冷縮因素，油量保持在2/3腔為宜，不夠時添加，定期換油，打開油塞排出污油，注入新油，擰緊油塞。

通過技術人員與安裝單位共同努力，零配件加工及安裝施工滿足設計要求，本次技術改造項目順利完成，調試正常后正式投入運行。其后，這種技改成果在管理處其它閘站上得到推廣應用。

5 結 語

新型水工閘門懸臂輪已在常州市長江堤防工程管理處的魏村水利樞紐船閘，澡港水利樞紐船閘和節(jié)制閘的升臥式閘門上投入應用，經(jīng)過幾年時間的運行檢驗，閘門滾輪運行靈活、平穩(wěn)、無振動、無噪音，維護保養(yǎng)簡單方便，實際使用效果良好。

筆者認為，從事水利工程運行管理的專業(yè)技術人員在運行管理工程中發(fā)現(xiàn)機電設備、金屬結構、水工建筑物等工程設施存在設計缺陷時，應當主動思考技改方案，優(yōu)化設計，注重實際效果，將技改成果用于解決實質問題。筆者將基礎理論與實際相聯(lián)系，借助長期的技術經(jīng)驗積累，解決生產(chǎn)一線的實質問題，使閘門運行安全正常，該技術創(chuàng)新經(jīng)實際使用驗證后發(fā)現(xiàn)效果顯著。